Badania własności eksploatacyjnych nowej generacji kolejowych nakładek stykowych do pantografów. Część II
Paweł KWAŚNIEWSKI1, Krystian FRANCZAK1, Grzegorz KIESIEWICZ1, Tadeusz KNYCH1, Andrzej MAMALA1, Artur KAWECKI1, Szymon KORDASZEWSKI1, Wojciech ŚCIĘŻOR1, Radosław KOWAL1, Artur ROJEK2, Wiesław MAJEWSKI2, Marek KANIEWSKI2, Roman MAJNUSZ3,
Romuald WYCISK3, Michał ŚLIWKA3 Streszczenie
Rozbudowa oraz modernizacja linii kolejowych w Polsce zwiększa zapotrzebowanie na nowe rozwiązania przeznaczone do przesyłu energii elektrycznej w sieci trakcyjnej. Jednym z kluczowych elementów na drodze przesyłu energii elektrycznej z sieci trakcyjnej do lokomotyw jest nakładka stykowa. W Polsce do 2011 roku eksploatowano nakładki stykowe wykonane z miedzi, co powodowało szybsze zużycie przewodów jezdnych. Wprowadzenie nakazu stosowania węglowych nakładek stykowych i brak krajowych rozwiązań w tym zakresie spowodowały, iż zaadaptowano zagraniczne rozwiązania, które dostosowano do sieci trak- cyjnych zasilanych prądem zmiennym 25/15 kV. Odmienny system zasilania polskich linii kolejowych prądem stałym o napięciu 3 kV spowodował, że zaadaptowane nakładki stykowe stwarzają wiele problemów podczas eksploatacji w sieciach trakcyjnych.
Artykuł opisuje drugą część badań nowej generacji nakładek stykowych i jest skoncentrowany na badaniach właściwości eksplo- atacyjnych, które umożliwiają ich zastosowanie w liniach kolejowych zarządzanych przez PKP PLK S.A., zgodnie z wymagania- mi Listy Prezesa Urzędu transportu Kolejowego.
Słowa kluczowe: węglowe nakładki stykowe, kompozyty węglowe, pantograf, kolej, sieć trakcyjna
1. Wstęp
Kolejowa sieć trakcyjna składa się z dwóch głów- nych elementów: sieci jezdnej oraz powrotnej. Sieć jezdna jest to zespół przewodów i lin, zawieszonych na konstrukcjach wsporczych wraz z różnego rodzaju osprzętem trakcyjnym. Energia elektryczna jest do- starczana do pojazdów trakcyjnych przez bezpośredni kontakt nakładek stykowych umieszczonych na panto- grafach z przewodami jezdnymi sieci trakcyjnej [7, 8].
W Polsce, do 2011 roku wykorzystywano nakładki sty- kowe wykonane wyłącznie z miedzi. Eksploatowanie listew miedzianych bezpośrednio wpływało na szybkie ścieranie przewodów jezdnych, jak i samych nakładek stykowych. Dodatkowo, pojazdy wyposażone w listwy miedziane nie mogły poruszać się po sieciach trak- cyjnych innych państw Unii Europejskiej. W związku z koniecznością zmiany listew miedzianych na węglo- we nakładki stykowe, zaadaptowano oraz dostosowano do krajowych wymagań nakładki stykowe producen- tów zagranicznych.
W Polsce, sieć trakcyjna jest zasilana w systemie prądu stałego o napięciu 3 kV, w którym pobór prądu może się- gać nawet 2,5 kA. System ten, przy dużych mocach pojaz- dów oraz dużej gęstości ruchu, charakteryzuje się spadka- mi napięcia oraz dużymi obciążeniami prądowymi [2, 3, 4, 5, 6]. Taki charakter pracy sieci wymusza zastosowanie dużych przekrojów czynnych sieci trakcyjnej oraz zmniej- szenie odległości pomiędzy poszczególnymi podstacjami.
W związku z tym, nakładki stykowe powinny wykazywać odpowiednie właściwości mechaniczne i elektryczne, umożliwiające ciągłą i bezawaryjną eksploatację wszyst- kich rodzajów sieci, w każdych warunkach atmosferycz- nych. Wykorzystywane w pojazdach trakcyjnych na- kładki stykowe stwarzają różne problemy eksploatacyjne, które wpływają na awarie, co bezpośrednio wpływa na sprawność sieci trakcyjnej, jak również na komfort po- dróżowania pasażerów [11].
Nakładki stykowe mogą być eksploatowane w sieciach trakcyjnych, których zarządcą jest PKP PLK S.A jeśli speł- niają, wymagania zapisane w dokumencie TSI Loc&Pas (Rozporządzenie Komisji UE nr 1302/2014) [10] oraz
1 Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Metali Nieżelaznych, Kraków; e-mail: kwas@agh.edu.pl.
2 Instytut Kolejnictwa, Zakład Elektroenergetyki, Warszawa.
3 Carbo-Graf, Sp. z o.o., Racibórz.
w „Liście Prezesa UTK w sprawie właściwych krajowych specyfi kacji technicznych i dokumentów normalizacyj- nych, których zastosowanie umożliwia spełnienie zasad- niczych wymagań dotyczących interoperacyjności” z dnia 19.01.2017 roku (dokument dotyczący nakładek styko- wych – załącznik TE-1) [9, 12]. W załączniku TE-1, doty- czącym wymagań dla nakładek ślizgowych eksploatowa- nych w Polsce, zawarto takie wymagania, jak:
przyrost temperatury przewodów jezdnych w miej- scu styku podczas postoju przez minimum 30 mi- nut: ≤ 80°C przy przepływie prądu 200 A DC,
zawartość wagowa metalu w materiale węglowym:
< 40%,
twardość materiału węglowego: ≤ 120 HRB,
szerokość nakładek węglowych: ≥ 60 mm.
W artykule przedstawiono badania nakładek sty- kowych fi rmy Carbo-Graf, które wykonano zgodnie z wymienionym dokumentem normatywnym.
2. Metodyka badań
Przedmiotem badań były trzy typy węglowych na- kładek stykowych produkcji fi rmy Carbo-Graf Sp. z o.o.
z Raciborza, wytwarzanych w różnych technologiach impregnowania metalem kompozytu węglowego, któ- rych cechy przedstawiono w tablicy 1, natomiast mo- del nakładki stykowej pokazano na rysunku 1. Badania nakładek stykowych przeprowadzono w laboratorium Wydziału Metali Nieżelaznych w Katedrze Przerób- ki Plastycznej i Metaloznawstwa Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
Tablica 1 Charakterystyki badanych nakładek stykowych Typ nakładki
stykowej
Typ kompozytu węglowo-metalicz-
nego
Szacowana zawartość metalu w kompozycie węglowo-metalicznym F20E10 SCu Nasycany
ciekłą miedzią 35–39% wt.
F20E10 20SCu
Nasycany ciekłą miedzią z dodatkiem
proszku miedzi
35–39% wt.
(w równych częściach)
F20E10 Cu40 Z dodatkiem prosz-
ku miedzi 39% wt.
[Opracowanie własne]
Rys. 1. Model 3D nakładki stykowej fi rmy Carbo-Graf [opracowanie własne K. Franczak]
Badania zawartości metalu w materiale węglowym nakładek stykowych przeprowadzono zgodnie z załącz- nikiem TE-1 Listy Prezesa UTK. Pomiar zawartości me- talu w materiale węglowym wykonano metodą absorpcji atomowej w pięciu wybranych punktach kompozytu wę- glowego oddalonych od siebie o 5 cm. Próbki do badań stanowiły sześciany o wymiarach 10×10×10 mm. Zgod- nie z dokumentem normatywnym, w żadnym z badanych miejsc, nakładka stykowa nie powinna zawierać zawarto- ści wagowej metalu powyżej 40%. Do badań wykorzysta- no mikroskop skaningowy typu HITACHI SU-70 (rys. 2).
Pomiar twardości materiału węglowego nakładek styko- wych przeprowadzono metodą Rockwell’a w skali HRB, zgodnie z załącznikiem TE-1 Listy Prezesa UTK. Badanie twardości wykonano za pomocą twardościomierza typu KP15002 P w pięciu punktach materiału węglowego na- kładek stykowych (rys. 3). Badania przyrostu temperatury przewodów jezdnych, w miejscu styku podczas postoju, wykonano na specjalistycznym stanowisku, które znajdu- je się w laboratorium Instytutu Kolejnictwa (rys. 4). Po- miar szerokości nakładek stykowych wykonano cyfrową suwmiarką MITUTOYO CD-15APX.
Rys. 2. Widok mikroskopu skaningowego typu HITACHI SU-70 [fot. K. Franczak]
Rys. 3. Widok twardościomierza typu KP15002 P [fot. K. Franczak]
Rys. 4. Stanowisko do badań przyrostu temperatury w miejscu styku nakładek z przewodem jezdnym [fot. K. Franczak]
3. Wyniki i analiza badań
Badania zawartości metalu w materiale węglowym przeprowadzono zgodnie z załącznikiem TE-1 do Li- sty Prezesa Urzędu Transportu Kolejowego. Z prze- prowadzonych badań zawartości metalu w materiale węglowym testowanych nakładek stykowych wynika, iż wszystkie nakładki stykowe fi rmy Carbo-Graf typu:
F20E10 SCu, F20E10 20SCu i F20E10 Cu40 nie zawie- rają więcej metalu w materiale węglowym niż 40%.
W zależności od danego typu, kompozyty węglowe wy- kazują zawartość miedzi na poziomie 18–20% wt. oraz śladowe ilości zanieczyszczeń pochodzących z proce- su wytwarzania materiału węglowego, tj.: Al, Si, S, Fe, które sumarycznie nie przekraczają 0,5% wt. Zatem wszystkie typy nakładek stykowych spełniają wyma- gania zapisane w załączniku TE-1 Listu Prezesa UTK dotyczące zawartości metalu w materiale węglowym.
Na rysunkach 5–7 przedstawiono przykładowe analizy EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) materiałów węglowych nakładek stykowych.
Rys. 5. Wynik badania zawartości metalu w nakładce stykowej – F20E10 SCu „Próbka 1” [opracowanie własne]
Z przeprowadzonych badań twardości, które przed- stawiono w tablicy 2 wynika, że twardość materiału węglowego w badanych punktach we wszystkich trzech typach nakładek stykowych, tj.: F20E10 SCu, F20E10
20SCu i F20E10 Cu40 jest mniejsza niż kryterium za- warte w załączniku TE-1 Listy Prezesa UTK, wynoszą- ce 120 HRB. Zatem wszystkie typy nakładek stykowych spełniają wymagania zapisane w załączniku TE-1 Listy Prezesa UTK, dotyczące twardości materiału węglowego.
Rys. 6. Wynik badania zawartości metalu w nakładce stykowej – F20E10 Cu40 „Próbka 1” [opracowanie własne]
Rys. 7. Wynik badania zawartości metalu w nakładce stykowej – F20E10 20SCu „Próbka 1” [opracowanie własne]
Tablica 2 Zestawienie wyników badań twardości nakładek stykowych Typ nakładki Numer pomiaru twardości [HRB]
1 2 3 4 5
F20E10 SCu 83 70 87 85 82
F20E10 20SCu 87 85 88 86 83
F20E10 Cu40 72 80 76 75 79
[Opracowanie własne].
W dalszym etapie, nakładki stykowe poddano ba- daniom przyrostu temperatury w miejscu styku na- kładka stykowa – przewód jezdny pod przepływem prądu o natężeniu 200 A. Według kryterium, przyrost temperatury nie powinien wynosić więcej niż 80°C.
Wszystkie trzy typy nakładek stykowych przeszły pozytywnie próbę nagrzewania. Przyrost tempera- tury dla nakładek stykowych F20E10 SCu wyniósł
ΔT1X = 76,9°C i ΔT1Y = 66°C, dla nakładek stykowych F20E10 20SCu ΔT1X = 73,1°C i ΔT1Y = 72,2°C oraz dla nakładek stykowych F20E10 Cu40 ΔT1X = 74°C i ΔT1Y = 75,9°C (rys. 89).
Rys. 8. Charakterystyka przyrostu temperatury dla nakładek stykowych F20E10 SCu [opracowanie własne]
Rys. 9. Widok z kamery termowizyjnej podczas badań [opracowanie własne]
Z przeprowadzonych badań szerokości nakładek stykowych fi rmy Carbo-Graf typu F20E10 SCu, F20E10 20SCu i F20E10 Cu40 wynika, że wszystkie badane na- kładki spełniają kryterium szerokości powyżej 60 mm.
Szerokość nowej generacji nakładek stykowych wynosi 67,3 mm ±0,2 mm.
4. Podsumowanie
W artykule przedstawiono badania właściwości eksploatacyjnych nowej generacji nakładek styko- wych fi rmy Carbo-Graf, wykonane zgodnie z doku- mentem „Lista Prezesa UTK w sprawie właściwych krajowych specyfi kacji technicznych i dokumentów normalizacyjnych, których zastosowanie umożliwia
spełnienie zasadniczych wymagań dotyczących in- teroperacyjności” załącznik TE-1 z dnia 19 stycznia 2017 r.. Z przeprowadzonych badań wynika, że trzy typy nakładek stykowych, tj.: F20E10 SCu, F20E10 20SCu i F20E10 Cu40 fi rmy Carbo-Graf spełnia- ją kryteria dotyczące ich właściwości, które zawarto w załączniku TE-1 „Listy Prezesa UTK”.
Literatura
1. EN 50405:2006: Railway applications – Current collection systems – Pantographs, testing methods for carbon contact strips.
2. Jarzębowicz L., Judek S.: Monitoring i diagnostyka nakładek stykowych kolejowych odbieraków prądu z wykorzystaniem systemu wizyjnego 3D, Przegląd Elektrotechniczny, 2013, z. 8.
3. Judek S., Jarzębowicz L.L: Analysis of Measurement Errors in Rail Vehicles’ Pantograph Inspection Sys- tem, // Elektronika Ir Elektrotechnika – Vol. 22, iss. 3 (2016), s. 2023.
4. Judek S., Skibicki J., Visual method for detecting criti- cal damage in railway contact strips, Measurement Science & Technology. – Vol. 29, iss. 5 (2018), s. 18.
5. Kaniewski M.: Nakładki węglowe – budowa, bada- nia oraz wdrożenie w sieci Polskich Kolei Państwo- wych, Elektrotechnika w zastosowaniach trakcyj- nych, Wydawnictwo PK, Kraków, 2014.
6. Kiesiewicz G.: Nowoczesny system podwieszenia kolejowej górnej sieci trakcyjnej, Wydawnictwo Im- puls, Kraków, 2018.
7. Kiessling F., Puschmann R., Schmieder A.: Conatct Lines for Electric Railways, Publicis Corporate Publisching, Th ird edition, Monachium, 2018.
8. Kwaśniewski P.: Nośno-przewodzący osprzęt górnej sie- ci trakcyjnej, Kraków, Wydawnictwo Wzorek, 2016.
9. Lista Prezesa UTK w sprawie właściwych krajo- wych specyfi kacji technicznych i dokumentów nor- malizacyjnych, których zastosowanie umożliwia spełnienie zasadniczych wymagań dotyczących in- teroperacyjności z dnia 19.01.2017 r.
10. Rozporządzenie Komisji (UE) NR 1302/2014 z dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie technicznej specyfi kacji interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu „Tabor lokomotywy i tabor pasażer- ski” systemu kolei w Unii Europejskiej.
11. Sitarz M., Adamiec A., Mańka A.: Uszkodzenia węglowych nakładek stykowych pantografów kole- jowych stosowanych w Polsce, TTS Technika Trans- portu Szynowego, 2016, z. 12.
12. Załącznik TE-1 do Listy Prezesa UTK „Wymaga- nia dla nakładek ślizgowych pantografów”.
Opisane badania wykonano w ramach realizacji projektu dofi nansowanego przez NCBiR z programu PBS3/B5/49/2015. Wkład poszczególnych autorów:
dr hab. inż. Paweł Kwaśniewski, prof. AGH – metodologia badawcza, analiza wyników badań, mgr inż. Krystian Franczak – wykonanie badań, analiza wyników badań,
dr inż. Grzegorz Kiesiewicz – analiza literaturowa, tłumaczenie manuskryptu, prof. dr hab. inż. Tadeusz Knych – metodologia badawcza, analiza wyników badań,
dr hab. inż. Andrzej Mamala, prof. AGH – metodologia badawcza, analiza wyników badań, dr hab. inż. Artur Kawecki, prof. AGH – metodologia badawcza, tłumaczenie manuskryptu, mgr inż. Szymon Kordaszewski – wykonanie badań,
dr inż. Wojciech Ściężor – analiza literaturowa, mgr inż. Radosław Kowal – wykonanie badań, dr inż. Artur Rojek – wykonanie badań,
mgr inż. Wiesław Majewski – wykonanie badań, mgr inż. Marek Kaniewski – wykonanie badań
Roman Majnusz – wytworzenie materiałów do badań, Romuald Wycisk – wytworzenie materiałów do badań, inż. Michał Śliwka – wytworzenie materiałów do badań.
